柴油機(jī)廢氣排放

1、柴油機(jī)廢氣過濾解決方案作者：AshishMathur來源：Ringer柴油機(jī)被認(rèn)為是熱效率最高的內(nèi)燃機(jī)，所以在全世界被廣泛地應(yīng)用在重型車輛上。然而，隨著人們?nèi)找骊P(guān)注柴油機(jī)廢氣對大氣質(zhì)量的危害，汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商不得不開發(fā)有效的解決方案來抑制排放。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量和驅(qū)動(dòng)方式不同，現(xiàn)在有幾種技術(shù)被應(yīng)用在這個(gè)行業(yè)來處理柴油機(jī)廢氣中的顆粒物質(zhì)和有害氣體。柴油機(jī)的發(fā)展趨勢柴油機(jī)在重型車輛和非道路車輛上的廣泛應(yīng)用已經(jīng)有很長時(shí)間，近期在歐美市場上應(yīng)用柴油機(jī)的客車和輕型卡車激增。這種增長部分是由于油價(jià)上漲刺激了對高效率柴油機(jī)的需求然而，伴隨著柴油機(jī)數(shù)量的增長，人們也越來越關(guān)注其排放的廢氣對空氣質(zhì)量的影響。廢氣

2、中的污染氣體如碳化物、氮化物（NOx）和顆粒物質(zhì)被認(rèn)為是危害健康的主要污染物。排放法規(guī)的發(fā)展趨勢歐美制定潔凈空氣法規(guī)的機(jī)構(gòu)采用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)中要求，使用顆粒物過濾器來滿足顆粒物的排放限制。歐洲的新排放法規(guī)中，顆粒物和氮化物的排放量比目前的標(biāo)準(zhǔn)少三分之一。圖1為歐洲的新排放法規(guī)的發(fā)展趨勢，這些日益復(fù)雜的排放控制要求過濾器具有較高的孔隙率、低的流動(dòng)損失以及高的過濾效率。圖1.歐洲廢氣排放法規(guī)（左）和CO2排放法規(guī)的趨勢（右）（來源:www.isuzu.co.jp）目前柴油機(jī)排放后處理的技術(shù)措施柴油機(jī)的排放物主要包括氣體排放物，如CO、CO2、NO、NO2和顆粒排放物，包括碳和碳?xì)浠衔?。CO和碳?xì)?/p>

3、化合物的去除柴油機(jī)催化氧化轉(zhuǎn)化器（DOC）被用來氧化排氣氣流中的污染氣體，它可以和消音器集成在一起。在許多封閉曲軸箱柴油機(jī)中，NOx、HC和有毒有害氣體被直接重新引入進(jìn)氣系統(tǒng)再次燃燒，而不是排到外界污染大氣環(huán)境的。NO和NOx的去除選擇性催化系統(tǒng)（SCR）能夠通過在廢氣中噴灑尿素或者氨水，將NOx的排放減少60-90%。然而，由于儲(chǔ)存空間的需要，只能用在大型發(fā)動(dòng)機(jī)上。細(xì)長的NOx催化器（LNC）與選擇性催化系統(tǒng)（SCR）類似，不同的是，LNC向柴油機(jī)廢氣中噴的是柴油而不是尿素。廢氣再循環(huán)（EGR）設(shè)備將發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的一部分送回發(fā)動(dòng)機(jī)，降低燃燒溫度的峰值，從而減少NOx的排放。廢氣再循環(huán)設(shè)備已被用

4、于碼頭機(jī)械、建筑設(shè)備和公路車輛發(fā)動(dòng)機(jī)上。該項(xiàng)技術(shù)能將NOx的排放減少40-50%。柴油機(jī)的顆粒物（DPM）柴油機(jī)顆粒物的控制基本上靠兩個(gè)過濾器，即柴油機(jī)微粒過濾器（DPF）和一次性過濾元件。柴油機(jī)微粒過濾器一般是應(yīng)用蜂窩狀或者網(wǎng)狀器具，放置在排氣管內(nèi)，物理捕集或者氧化顆粒物。收集到的顆粒物連續(xù)或者定期地通過加熱再生從過濾器中被移走。另一種柴油機(jī)顆粒物處理裝置是采用一次性過濾元件的過濾裝置，其應(yīng)用日漸增多。由于發(fā)動(dòng)機(jī)制造商不斷通過高效的發(fā)動(dòng)機(jī)管理來降低系統(tǒng)成本，以減輕柴油機(jī)廢氣后處理技術(shù)方面的壓力，所以相比前一種過濾器，這種一次性的過濾裝置為降低成本提供了一種有效的方法。DPF所用濾材現(xiàn)狀有很多

5、過濾材料被應(yīng)用在柴油機(jī)微粒過濾器（DPF）中，包括陶瓷塊、陶瓷紗線、陶瓷泡沫、陶瓷紙、合成纖維、金屬網(wǎng)和燒結(jié)金屬纖維材料。這些過濾材料具有高過濾效率、低壓降、高煙塵容納能力，以及能耐高溫、耐熱應(yīng)變和耐熱收縮、耐化學(xué)腐蝕等性能，并且與再生工藝相容。按照再生技術(shù)的要求，柴油機(jī)的過濾材料要置于1,000C或更高的溫度下接受大量的熱沖擊。這是造成材料失效（例如融化或者開裂）的主要原因。使用這些濾材的柴油機(jī)微粒過濾器具有60-95%的過濾效率。兩種常用的系統(tǒng)是陶瓷過濾器（陶瓷基和深床過濾）和一次性紙質(zhì)過濾器。陶瓷過濾器主要應(yīng)用在重型車輛和道路車輛上；而一次性紙質(zhì)過濾器主要應(yīng)用在固定機(jī)械和非道路車輛上，如

6、叉車。所有濾材都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在使用時(shí)也應(yīng)有選擇。陶瓷過濾器柴油機(jī)陶瓷微粒過濾器可以是壁流式蜂窩陶瓷微粒捕集器也可以是纏繞成的濾筒，最常用的是壁流式微粒捕集器（占有70%的市場）。它是整體擠壓成型的，主要成分是堇青石或者金剛砂。交替堵住蜂窩狀多孔陶瓷的孔兩端，柴油機(jī)的廢氣被迫通過這個(gè)多孔的墻壁而被過濾。壁流式蜂窩陶瓷微粒捕集器的特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度好、耐溫性好、并且具有良好的過濾效率。這種陶瓷基材可以覆上一層催化劑來降低溫度從而再生。圖2.壁流式陶瓷纖維濾材微粒捕集器（來源：D）這種過濾器的缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)大，當(dāng)煙塵量較大時(shí)，壓降也相對較大，從而導(dǎo)致過濾器阻塞。因?yàn)樗鼈兪且姿榈牟牧?，所以容易?/p>

7、熱環(huán)境中或者機(jī)械振動(dòng)中損壞。金屬基的陶瓷纖維濾筒用連續(xù)的陶瓷纖維纏繞在多孔金屬支撐筒上，廢氣被迫通過陶瓷纖維流入金屬筒內(nèi)，使柴油機(jī)廢氣中的微粒停留在纖維中間。通過電加熱去除堆積在過濾裝置中的微粒，可以使過濾器再生。有一些陶瓷纖維濾筒使用陶瓷紗線制成的薄布，這種布的制作過程就像造紙一樣，然后成型的過濾器要經(jīng)過燒結(jié)處理。Fleetguard公司開發(fā)了一種由復(fù)合過濾介質(zhì)（覆以SiC的氧化鋁纖維）和壁流式蜂窩陶瓷過濾元件組成的過濾器。一次性/長期使用/可回用的紙質(zhì)過濾器一次性的柴油機(jī)廢氣過濾器一般是折成褶狀的濾筒，就像一般的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過濾器，效率可以接近100%。由于過濾器的最高使用溫度都低于120r

8、，這種過濾器需要一個(gè)隨車的冷卻器，如噴水器或者散熱器，這種過濾器的設(shè)計(jì)壽命是最多3次。一次性/長期使用/可回用的紙質(zhì)過濾器的最高使用溫度可以達(dá)到200r,過濾材料一般使用合成纖維或者與陶瓷纖維混合以達(dá)到更高的使用溫度。這樣的過濾材料可以連續(xù)多次使用。DPF介質(zhì)的最新進(jìn)展由于日益增長的排放法規(guī)限制，對經(jīng)濟(jì)、可靠的過濾材料和系統(tǒng)的需求日益增長。Ahlstrom公司一直致力于柴油微粒過濾技術(shù)的研究，包括一次性過濾器、可重復(fù)利用和可再生過濾器。一次性DPF過濾介質(zhì)Ahlstrom公司已成功開發(fā)出一種用于公共交通車輛中的微粒捕集器，這是意大利政府贊助的一個(gè)名為ProjettoBlue的項(xiàng)目的研究成果。據(jù)

9、說這種過濾器可以使用2,500km或者最多達(dá)十天（以每天行駛250km計(jì)算）（見圖3、4和5）。圖3.裝有折疊過濾材料的過濾器的堆積情況圖4.安裝在重型公共汽車上的過濾系統(tǒng)圖5.過濾器上游的微粒堆積情況纖維素基過濾介質(zhì)適用于最高為120r的低溫環(huán)境，且具有根據(jù)需要控制壓降和過濾效率的特點(diǎn)。連續(xù)使用/耐高溫/可再生的纖維介質(zhì)經(jīng)過過去幾年的不斷努力，Ahlstrom公司已經(jīng)開發(fā)出100%陶瓷纖維的柴油機(jī)微粒過濾器過濾介質(zhì)，這種過濾介質(zhì)能耐800r甚至更高的溫度，還能夠用作再生過濾器的基材。這些材料的過濾效率的比較見圖6和圖7。圖中,CER160DPF、CER140DPF和CER120DPF代表過濾

10、材料中含有不同的無機(jī)纖維，從而具有不同的過濾效率、壓力降和耐高溫性。這些特性可以根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)需求來配置。DEIIIMIOHtBA-144QP-F畑肝不用粉塵級PTI細(xì)灰（100mg/m3）測得的壓力降對比*二二，圖6.空氣流量10.8m3/h、空氣面速度30cm/sec，測試面積100cm2）圖7.用PTI細(xì)灰測得的原始過濾效率（空氣流量10.8m3/h、空氣面速度30cm/sec，測試面積100cm2）從兩圖可以看出，利用無機(jī)纖維材料，過濾效率是可以接近100%的，并且相對陶瓷基壁流式微粒捕集器具有相對較低的壓力降。利用這種無機(jī)纖維過濾介質(zhì)制成的過濾器，相對目前的陶瓷基過濾器，可以將

11、柴油機(jī)微粒過濾器的成本降低至少50%。Ahlstrom在DPF方面的創(chuàng)新技術(shù)Ahlstrom公司又有一個(gè)獨(dú)特的技術(shù)平臺(tái)，能夠輕而易舉地開發(fā)出DPF市場所需的工程解決方案。DisruptortTM技術(shù)DisruptorTM材料是Ahlstrom公司的納米氧化鋁纖維技術(shù)，是利用大約2nm粗、100nm長的的氧化鋁陶瓷纖維枝接微米級的玻璃纖維制成的。與其它所有纖維相比，DisruptorTM纖維具有最高的縱橫比（半徑和長度的比）和表面積（最高達(dá)600m2/g）。這種材料作為DPF介質(zhì)的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是，它可以使極細(xì)的粉末（例如催化劑）附著到納米級的氧化鋁纖維中（見圖8）。圖8.用電子顯微鏡拍攝的顯示纖維